У продовження статті про вимірювання струму, хотілося б розповісти і зробити, що ні будь подібне для вимірювання напруги. Проблема залишається все тією ж, часто виникає необхідність побачити форму того чи іншого сигналу, але коли цей сигнал високовольтний, то не так-то просто це зробити. По-перше, не у всіх вимірювальних приладів, осцилографів або АЦП, вхідні каскади розраховані на високі напруги. А по-друге, завжди потрібно гальванически розв'язати ваш вимірювальний прилад і силову частину схеми.
Отже, почнемо з того, що амплітуда напруження, яке оцифровує АЦП, набагато нижче ніж, наприклад 110, 220, 380 вольт. Тому необхідно знизити напругу, що приходить на канали АЦП. Для цього використовуємо резистивний дільник напруги.
Найпростіший резистивний дільник напруги являє собою два послідовно включених резистора, підключені до джерела напруги. Оскільки резистори з'єднані послідовно, то струм через них буде однаковий відповідно до першого закону Кірхгофа. А падіння напруги на кожному резисторі відповідно до закону Ома буде пропорційно опору.
Слід звернути увагу, що опір навантаження дільника напруги повинно бути багато більше власного опору дільника, так, щоб в розрахунках цим опором, включеним паралельно R1 можна було б знехтувати. Але воно і не повинно бути занадто малим, так як ви будете підключати дільник паралельно основній навантаженні і тому, він повинен виробляти найменший вплив на навантаження.
Необхідно підібрати напруга U1 таким чином, щоб його можна було оцифрувати за допомогою АЦП, наприклад, це буде 2,5 вольт.
Думаю, ви погодитеся зі мною, що було б добре одним приладом моніторити сигнал будь-якої форми, будь то змінна напруга або постійне. Але змінний струм змінюється за синусоїдальним законом і має негативні і позитивні напівхвилі, а так як АЦП контролера працює від однополярного напруги, то оцифрувати сигнал негативної напівхвилі буде неможливо. Зробимо так само як надійшли розробники датчика струму ACS750, змістимо вісь абсцис в позитивну сторону щодо нуля на 2,5 вольта. Для цього використовуємо операційний підсилювач, як инвертирующего підсилювача з коефіцієнтом підсилення, що дорівнює одиниці. Для цього резистори R1 і R2 повинні бути з однаковим номіналом, і як вже згадувалося вище, опір навантаження дільника напруги повинно бути багато більше власного опору дільника, тому їх номінали повинні бути більше ніж номінали резисторів подільника, наприклад, 1 МОм.
В якості операційного підсилювача можна використовувати мікросхему LM358, вона проста, надійна і в одному корпусі має два операційних підсилювача. Подавши на прямий вхід ОУ +1.25 вольта, ми змістимо сигнал Vin на 2,5 вольта щодо осі абсцис.
Тепер об'єднаємо резистивний дільник напруги і інвертується підсилювач.
Дільник напруги і операційний підсилювач налаштовані так, що якщо на вхід Vin подати напругу від -500 до 500 вольт, то на виході Vout ми отримаємо ідентичний сигнал за характером зміни, але тільки вже від 2,5 до 5 вольт і від 2,5 до 0 вольт. Саме за рахунок цього зміщення на 2,5 вольта дана схема дозволить вимірювати як постійне, так і змінну напругу, тобто сигнал будь-якої форми в діапазоні від -500 до +500 вольт.
Нижче подано діаграму напруги синусоїдальної форми, амплітудою 500 вольт. перетворена даною схемою.
Тепер залишилося зробити гальванічну розв'язку, щоб зі спокійною душею і чистою совістю можна було лізти до високої напруги. Для цього можна було б використовувати вже готові ОУ з опторазвязкамі, але вони або мають фіксований коефіцієнт посилення або не доступні для покупки. Ідеальним рішенням, на мій погляд, буде використовувати оптопару з лінійною залежністю типу IL300. Лінійності в ній домагаються за рахунок того, що вона містить в собі два однакових фотодіода К1 і К2, що видно на малюнку нижче.
Один фотодиод використовується для зворотного зв'язку по входу оптопари. Таким чином, використовуючи операційний підсилювач, можна регулювати струм світлодіода і домогтися максимальної лінійності. Ось тут ми і використовуємо другий операційний підсилювач мікросхеми LM358.
На малюнку нижче зображено типова схема підключення. В якості вхідного сигналу для неї буде використовуватися вихідний сигнал перетворювача розглянутого вище, Vout.
Таким чином, на виході Vo ми отримаємо сигнал ідентичний сигналу на вході Va.
Нагадаю, що зображений на перших малюнках підсилювач OP1 є інвертуючим, а це значить, що на виході Vout, найпершою схеми, ми отримуємо «дзеркальне відображення» вимірюваного сигналу, це необхідно врахувати і виправити. Тому завершенням всієї схеми так же повинен стати інвертується підсилювач з коефіцієнтом посилення рівним одиниці. Додамо до типової схемою, зображеної вище, інвертується підсилювач.
Об'єднавши все вищевикладені рішення, отримаємо наступну схему.
